恒流驅動源技術---在太陽能LED路燈的設計應用

一、概述

太陽能的利用雖然有很多方法，但是像超大功率的太陽能發(fā)電站、家庭屋頂發(fā)電等都不適合中國的國情，唯一最簡單而最容易實現(xiàn)的是太陽能路燈。我國的路燈總數超過1億盞，只要其中的6000萬盞改成太陽能路燈，其每年節(jié)省的電量就超過一個三峽水電站的發(fā)電量。如果把今后每年新增的2000萬盞路燈全部改用太陽能路燈，三年下來又是一個三峽水電站。其節(jié)能的效果是非?？捎^的，而且完全不需要興師動眾地動員全國的力量來興建，而這樣發(fā)動各級地方政府的力量和各個有關企業(yè)的力量就可以完成。

太陽能路燈的構成十分簡單（圖1）。

太陽能路燈控制器電路圖：http://www.elecfans.com/article/88/131/190/2009/2009040846544.html

圖1. 太陽能路燈的構成

太陽能路燈的安裝也十分簡單，幾乎就好像種樹一樣，挖一個坑，埋進去就可以了。不像采用交流電的路燈，需要鋪電纜、建造變壓器房、挖維修井…。雖然單個太陽能路燈的造價要比普通的高壓鈉燈的造價貴，但是，如果考慮鋪設電纜等的總體造價，二者就相差不多。再加上以后每年所節(jié)省的可觀的電費，可以說，太陽能路燈在一兩年之內所節(jié)省的電費就可以彌補其差價，以后所節(jié)省的電費就是純收益了。

從圖1所示的框圖中可見，其中最核心的部件，就是PWM調光控制器和恒流模塊。過去很多投資都投向太陽能電池、和LED。很少有人關心到這兩部分，以至于目前市面上的控制器大都沒有PWM調光的能力，而目前的恒流模塊絕大多數都是采用從國外進口的芯片。而國家也不重視這方面投入。這是一個很大的問題，當然也是有很大的機遇。

二、太陽能LED路燈為什么需要恒流驅動

除了發(fā)光效率以外，要使LED能夠成為一個實用的燈具還有一系列問題需要解決。其中最重要的就是它的恒流驅動。這是由以下幾個原因所決定的。

（一） 太陽能LED路燈所用的蓄電池輸出電壓不恒定
在太陽能路燈中通常是采用鉛蓄電池作為能量儲存單元的，而鉛蓄電池的輸出電壓從滿充到滿放，其電壓變化是會接近20%的（圖2）。所以它所引起的LED電流變化就有可能超過4倍以上。

圖2. 鉛蓄電池的放電曲線。

圖3. 某一公司的 LED的伏安特性

LED有很陡的伏安特性（圖3）。

假定初始的電壓為3.25V，這時的正向電流為350mA。假如供電電壓降低到2.6V（20％），這時的電流就不到40mA,降低了將近8.75倍。

而LED的發(fā)光亮度是直接和其正向電流有關的。同一廠家的同一 LED，其相對發(fā)光強度和正向電流的關系曲線如圖4所示。

圖4. 相對光強和正向電流的關系

由圖中可以看到，如果正向電流從350mA降低8.75倍到40mA，其相對發(fā)光強度將從100降低到20。降低將近5倍。顯然這是完全不能允許的。所以一定要把電流恒定。

（二） LED發(fā)光的溫度不穩(wěn)定

LED路燈通常在露天工作，其環(huán)境溫度的變化是很大的。
而LED的正向電流還和結溫有關，圖5就表明LED在不同結溫時的伏安特性。

圖5. 在不同環(huán)境溫度時LED的伏安特性

LED的溫度系數通常為負的，也就是當溫度升高時（T1－>T2），伏安特性向左移動。其值大約是-2mV/℃，那么當其結溫增加50度時，其正向電壓就會降低0.1V，假如用恒壓電源供電時，其正向電流就會增加。比如，常溫25℃時LED最佳工作電流20mA，當環(huán)境溫度升高到85℃時，PN結電壓VF下降,工作電流急劇增加到35mA～37mA，但此時電流的增加并不會產生亮度的增加，稱為亮度飽和。同樣，當環(huán)境溫度下降至-40℃時，結電壓VF上升，最佳工作電流將從20mA減小到8mA~10mA，發(fā)光亮度也隨電流的減少而降低，達不到應用場所所需的照度。

而且當溫度變化時，LED的發(fā)光光譜也會發(fā)生變化。通常溫度增加時光譜的最大值是向波長長的方向漂移。大約是每升高10oC時漂移1nm，升高50度會產生5nm的變化（見圖6）。

圖6. LED發(fā)光的峰值波長隨環(huán)境溫度而變化

實際上，LED的光譜也是隨其正向電流改變而改變。這也是不希望的，所以一定要保持其正向電流恒定。采用恒流源供電以后，這種溫度變化所引起的電流變化就會轉化為其正向電壓的變化，從而不會引起亮度和光譜的變化。

（三）LED的PWM調光

在太陽能LED路燈中，常常需要按照工作時間來調節(jié)路燈的亮度，以減小太陽能電池板的面積。
為了改變LED的亮度，最簡單的方法就是改變其正向電流。但是，正向電流的改變會引起光譜的改變，對于白光LED，會引起其視在色溫的改變，顯然這是不希望的(圖7)。

圖7. 正向電流的變化引起的發(fā)光光譜的變化.

最好的方法就是采用脈寬調制（PWM）的方法來調光。這實際上利用了人眼的視覺殘留的特點，使得雖然LED仍然以滿電流工作，但是它是開關式地間歇地工作，改變開和關的比例，就可以改變其視在亮度。為了不致引起閃爍的感覺，開關的周期必須小于人眼視覺殘留的時間，也就是說，PWM的頻率必須高于人眼所能感覺到的閃爍頻率。大約是在200Hz以上。不過，由于現(xiàn)在的LED功率越來越大，要產生大功率的PWM信號直接加到LED上是很麻煩的。幸好現(xiàn)在的恒流源大多是一種開關式直流變換器，它可以接受一個很小功率的PWM信號，就可以輸出一個大功率的開關信號加到LED上，而同時還能保持恒流的作用，也就是它的峰值仍然保持原來設定的電流值。

所以，為了實現(xiàn)PWM調光也是需要采用恒流驅動源。而調光功能在太陽能LED路燈中是非常重要的。例如可以在午夜以后改為半功率工作，甚至再以后改為1/3功率工作，這樣就可以大大減小太陽能電池板的面積，從而降低了整個燈具的成本。

（四）LED的不一致性

即使是同一型號的LED其伏安特性在各個個別的器件之間也是不同的，更何況在不同生產廠家之間就更是不同了(圖8)。

圖8. 同一廠家LED伏安特性離散性(實線),和不同廠家LED伏安特性的離散性(虛線)

從圖中可以看出,假如采用恒壓電源供電，它們之間的正向電流就會有很大的差異。而過大的正向電流也會導致光衰的加速，所以一定要用恒流源供電。

三．各種恒流源的選用

用在太陽能LED路燈中的恒流源，可以分為升壓型、降壓型、升降壓型三種：所謂升壓型就是它的輸出電壓比輸入電壓高。降壓型就是輸出電壓比輸入電壓低。而升降壓型則是可以根據輸入電壓低于或高于輸出電壓的情況自動地調節(jié)其工作模式為升壓或降壓。

在太陽能LED路燈中，通常采用鉛蓄電池作為儲能器件，它的電壓通常為12V或24V兩種。而所要求的輸出電壓，則是由所連接的LED的架構所決定。為了使得所有LED的正向電流一致，通常采用各個LED串聯(lián)的方式，這時，所要求的輸出電壓就是所有串聯(lián)的LED正向電壓的總和。例如，假定用10個LED串聯(lián)（圖9a），其正向電壓的總和大約為10x3.3V=33V。其實由于各個生產廠家所生產的LED各不相同，而且各個LED之間也有所不同。所以，10個LED的正向電壓的總合也不盡相同。其實在恒流源中，所恒定的是電流而不是電壓。所以，并不需要知道正向電壓總和的準確值，而只要知道它比輸入電壓高還是低就可以了。在這里，不論采用12V還是24V的蓄電池，它都要求采用升壓型的恒流源。

假如所用的LED為10V，1A的10瓦LED。那么不論是12Vd1蓄電池還是24V的蓄電池就都要采用降壓型的恒流源。
如果LED的電壓和電源電壓接近，例如負載為4個1瓦LED串聯(lián)，那么它的電壓為13V左右，而蓄電池在充滿電的時候就會達到14V以上，這時候就要用降壓型的恒流源，但是如果在蓄電池快要放完電的時候，它的電壓就大概只有10.4V。這時候就需要采用升壓型的恒流源。所以，在這種情況下，就必須采用升降壓型的恒流源。

多個LED也可以采用串并聯(lián)的結構，通常我們稱之為幾串幾并。例如10串3并就是如圖9b的結構。

圖9. LED的10串3并結構

這時候雖然也可以采用一個恒流源供電，但是這時候的恒流源就只能夠恒定3串的總電流。這個總電流在各串中的分配是根據它們的伏安特性來分配的。因為加在這3串上的電壓是一樣的，而每串中的每一個LED的電流又是相同的，這時候就必須平衡在滿足這兩個條件的工作點上。而且，假如有一串中的一個LED壞了，就會把三串的總電流分配到兩串中去，這就加大了每串中的電流。為了減小各串之間的電流不平衡，可以把各串中所有的LED都并聯(lián)起來，構成一個網格型的結構。這時候如果某一串中有一個LED壞了，就不會影響到其它LED。但是，如果壞的LED呈現(xiàn)短路情況，那就會把其它兩串中的LED也都短路掉，不過LED損壞時以開路為多，短路比較少。當然最好的方法就是用保護二極管（通常是齊納二極管）和每個LED并聯(lián)，不過這樣就增加了成本。

當然多個LED也可以采用全部并聯(lián)的方法，但是因為每個LED的伏安特性不一樣，如果這時候用恒壓源來供電就會產生極大的問題（圖10）。

圖10. 用恒壓源對多個并聯(lián)的LED供電時每個LED的電流都不一樣